Versuche an der LVWO Weinsberg

Der Einsatz von optischen Sensoren findet im Ackerbau bereits in vielen Flächenkulturen wie Getreide, Mais oder Raps statt. Optische Sensoren messen die Blattreflexion im sichtbaren Licht sowie im nahen Infrarot (NIR)-Bereich und ermöglichen dadurch eine Bewertung der Pflanzenvitalität, die Messung und Quantifizierung von Stressfaktoren sowie die Erkennung von Krankheiten.

Die Ergebnisse dieser Sensoren können eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung ermöglichen, mit dem Ziel, die Qualität der Produkte auf einer Fläche zu vereinheitlichen. Durch gezielte Steuerung von Bewässerungen oder dem Dünger- bzw. Pflanzenschutzmitteleinsatz lassen sich Ressourcen einsparen und Kosten reduzieren. Anderseits können die Ergebnisse dazu genutzt werden, verschiedene Qualitäten auf einer Fläche zu identifizieren und diese getrennt voneinander zu ernten.
Die Übertragung auf Raumkulturen im Obst- oder Weinbau stellt jedoch eine Herausforderung dar. Vegetation unterschiedlichen Alters, verteilt auf unterschiedliche Höhen, verkomplizieren die Messungen und erhöhen die Anforderungen an die Datenanalyse. Die Staatliche Lehr- und Versuchsanstalt für Wein- und Obstbau (LVWO) Weinsberg zielt im Obstbau mit dem Einsatz von Multikoptern und optischen Sensoren auf die Erkennung der Stickstoffversorgung und von Schadsymptomen aus der Luft ab.

Prinzip der Blattreflexionsmessung

Die Laubfläche von Pflanzen reflektiert einen Teil des einstrahlenden Sonnenlichts. Optische Sensoren dienen im Pflanzenbau zur Messung der Reflexion von Laubfläche oder einzelnen Blättern im sichtbaren und NIR-Bereich. Die Reflexion der Laubfläche enthält charakteristische Merkmale. So enthält reflektiertes Licht im sichtbaren Bereich einen hohen Grün-Anteil, der die geringen Rot-und Blau Anteile im sichtbaren Spektrum überlagert. Grund hierfür ist, dass diese Lichtbereiche vom Chlorophyll für die Photosynthese absorbiert und nur in geringem Maße reflektiert werden. Die Blattreflexion im nahen Infrarot-Bereich wird durch weitere Faktoren, z.B. die Wasserversorgung der Pflanze oder einen Krankheitsbefall, beeinflusst.

Eine gesunde Pflanze hat eine hohe Reflexion im NIR-Bereich und eine geringe Reflexion im roten und blauen Bereich. Eine kranke Pflanze reduziert aufgrund eines Stressfaktors die Photosynthese-Leistung, wodurch sich der reflektierte Anteil an rotem und blauem Licht erhöht. Gleichzeitig wird die Reflexion von NIR-Strahlung reduziert, da dieser Bereich bei kranken Pflanzen tiefer ins Gewebe eindringen kann.

Blattreflexion Blattreflexion eines jungen Rebenblatts © LVWO Weinsberg

Optische Sensoren bestehen in der Regel entweder aus Kamerasystemen mit speziellen Farbfiltern zur Erfassung der unterschiedlichen Bereiche (Rot, Grün, Blau, NIR) oder verfügen über Systeme, die eine Messung der Blattreflexion in einzelne Wellenlängen ermöglichen. Im Bereich der Fernerkundungsmethoden über die Luft werden hier ausschließlich passive Sensoren verwendet, die im Gegensatz zu aktiven Sensoren über keine eigene Lichtquelle verfügen, sondern die Reflexion des einstrahlenden Sonnenlichts messen.
 

Ziele und Einsatzgebiete optischer Sensoren

Die Einsatzgebiete für optische Sensoren sind vielseitig. Einfache Kameras können beispielsweise zur Kontrolle des Bestandes oder zur Dokumentation von Wildschäden eingesetzt werden. Diese Kameras können in Kombination mit spezieller Auswertesoftware auch zur Messung der Biomasse im Bestand verwendet werden. Dadurch können Parameter wie Pflanzenvolumen oder Kronendurchmesser durch Fotoaufnahmen beim Überfliegen der Fläche gemessen werden.Kamerasysteme, die einzelne Farbbereiche und NIR-Strahlung detektieren, finden in der Messung von allgemeinem Pflanzenstress Anwendung. Durch die Verrechnung des reflektierten blauen bzw. roten Bereichs mit der NIR-Strahlung wird ein Vegetationsindex berechnet, der eine allgemeine Aussage über die Vitalität bzw. photosynthetische Aktivität einer Pflanze oder eines Pflanzenbestands in Abhängigkeit der Pflanzenart ermöglicht.Die Identifizierung und besonders die Quantifizierung von spezifischen Stressfaktoren von Pflanzen sind hingegen wesentlich aufwendiger und teurer. Hier kommen entweder Filter zum Einsatz, die statt Farbbereiche nur einzelne Wellenlängen passieren lassen, oder Hyperspektralkameras zur Messung der Blattreflexion in einzelne Wellenlängen. So lassen sich Trockenstress, Nährstoffmangel (besonders mit Schwerpunkt auf Stickstoff) und Pilzinfektionen erkennen und voneinander unterschieden. Durch Voruntersuchungen der jeweiligen Stressfaktoren unter kontrollierten Bedingungen lässt sich die Intensität des einzelnen Stressfaktors bzw. Mangels erfassen.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus einem Fachartikel der LVWO Weinsberg. Die Autoren beschreiben darin die Methode und nennen auch die in Weinsberg verwendete Technik und Software.